BrSM Modell - Biologische Kommunikation über Mehrskalennetzwerke
Biologische Kommunikation über Mehrskalennetzwerke
Aus der Komplexität dynamischer biologischer Systeme ergeben sich wichtige Erkenntnisse über das Verhalten und die Eigenschaften des biologischen Informationsflusses und dessen Regulierung. Biologische Netzwerke sind von Natur aus dynamisch und instabil; ihre Fähigkeit, sich an ständig wechselnde interne und externe Impulse anzupassen, wird durch ihre Widerstandsfähigkeit definiert und vorgegeben.
Die Widerstandsfähigkeit von Netzwerken beruht auf der Überlegung, dass Netzwerke Impulse aus ihrer Umgebung aufnehmen, die gleichzeitig eine Vielzahl von regulierenden Aktionen auslösen, um einen Zustand des dynamischen Gleichgewichts aufrechtzuerhalten. Ein System gilt als widerstandsfähig, wenn es seine Funktion aufrechterhält – unabhängig vom stationären Zustand oder den vorherrschenden Bedingungen.
Es gibt zwei Haupttypen von biologischen Informationen:
- Sequenzinformationen:
Sequenzinformationen werden durch einen 4-stelligen Nukleotid-Code in der DNA kodiert und bestimmen die strukturellen und funktionellen Besonderheiten von Proteinen und RNA-Molekülen, die gewissermaßen als molekulare Maschinen fungieren. - Regulatorische Netzwerkinformationen, die das Verhalten von molekularen Maschinen steuern:
Regulatorische Netzwerkinformationen offenbaren sich in Form bestimmter miteinander verbundener, prognostizierbarer Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Proteinen, anderen Molekülen und regulierenden DNA-Elementen, die beschreiben, wie sich molekulare Maschinen in bestimmten zellulären Zuständen verhalten. Somit verbinden regulatorische Netzwerkinformationen verschiedene Ebenen der biologischen Struktur miteinander, von Molekülen zu Zellen, von Zellen zu Geweben und von Geweben zu Organen und Organsystemen.
Es wird vermutet, dass Krankheiten dann entstehen, wenn die autoregulatorischen Fähigkeiten (die die Widerstandsfähigkeit der molekularen Gewebenetzwerke unterstützen) aufgrund von angehäuftem Stress nicht mehr gegeben sind, so dass es zu Funktionsstörungen im Gewebe und damit zu einem gestörten molekularen Informationsfluss kommt. Da Gewebe und Organe durch Funktionszusammenhänge in Netzwerken miteinander verbunden sind, kann sich der gestörte Informationsfluss über das gesamte Netzwerk ausbreiten und allmählich zur Krankheitsprogression führen.
Gewebe gelten als biologische Netzwerke aus Molekülen und Zellen, die auf verschiedene externe und interne Stressoren reagieren und dabei ihre molekulare Kohärenz aufrechterhalten. In diesem Zusammenhang bezeichnet der Begriff „molekulare Kohärenz“ das Verhalten von Molekülen in einem Gewebe als Reaktion auf die Netzwerke von Molekülen in anderen Geweben oder im Körperkreislauf.
Lineares Modell versus nicht-lineares Kausalmodell
Die Molekularbiologie und die Medizin gehen seit jeher davon aus, dass Einfluss und Kausalität zwischen relevanten Einheiten linear erfolgen. Dieser lineare Rahmen, der oft als reduktionistische Perspektive bezeichnet wird, unterstützt den Ansatz eines einzelnen Moleküls und eines einzelnen Ziels, wonach bei der Behandlung von Krankheiten eine bestimmte biologische Komponente (z. B. ein Rezeptor, ein Gen usw.) einzeln und isoliert betrachtet wird. Dank moderner technologischer Fortschritte ist es in jüngster Zeit gelungen, ein umfassenderes Verständnis der grundlegenden Zusammenhänge biologischer Systeme zu gewinnen, wodurch ein neues Konzept für ein nicht-lineares, systembasiertes Modell der Physiologie und Pathophysiologie entstanden ist. Durch diese integrative Betrachtungsweise werden die räumlichen und zeitlichen Wechselwirkungen zwischen mehreren molekularen und physiologischen Prozessen berücksichtigt, wobei angenommen wird, dass ein wirksamerer medizinischer Ansatz biologische Netzwerke für die Behandlung von Krankheiten nutzt.